稀土离子4f~(N-1)n'1'高激发态能级的研究

本论文系统地研究了稀土离子的4fN-1n'l'高激发组态能级问题。利用稀土光谱理论，推导了自由离子状态下的高激发组态4fN-1n'l'的能级表达式（包括电子的库仑和旋轨作用），编写了计算机程序，首次得到了660项4fN-1n'l'（n'l'=5d，6s，6p）组态主要较低能级的详细表达式，大大扩展了以往的计算结果。同时，具备了计算4fN-1n'l'组态的全部能级表达式的能力。利用复杂晶体的化学键介电理论，研究了基质中fN-15d组态能级移动和劈裂等问题，获得了如下创新性的成果：研究了晶体中稀土离子的4fN-15d组态的禁戒跃迁能级与允许跃迁能级之间的能级差变化现象。发现fd电子间库仑作用的交换积分项是能级差的主要作用并找到了在不同基质中影响能级差发生变化的因子：he＝[Σfc（i）a（i）Q（i）2]1/2，可用来分析、确定和预测Dy3+，Tb3+在不同基质中的禁戒跃迁峰的能级位置，对其它稀土离子也具有一定的指导意义。通过对自由离子能级差问题的分析，发现对不同稀土离子，能级差随f电子的增加而减小的规律，这样，无论是从横向还是纵向都可以对稀土离子的能级差进行比较，相互确定。为分析光谱中的禁戒跃迁峰提供了理论依据。研究了晶体中Ce3+、Eu2+的4fN-15d组态能级中心下移现象，发现影响其发生变化的因素与能级差的相同，但两者具有不同的变化形式，前者与玩呈一级指数关系，后者与he呈线性关系。从指数关系式中推导得到的自由离子状态下能级中心位置与实验值吻合较好。当he趋向于极大值时，得到的Ce3+、Ey2+的4fN-15d组态能级中心极限值相应于离子所含电子动能的大小。研究了晶体中Ce3+、Eu2+的4fN-15d组态能级劈裂问题，结合实验结果，发现立方场下的能级劈裂与化学键的同极化作用能，中心离子的配位数，配体离子的有效电荷以及所成键的离子性相关，并具此得到一个劈裂因子参数：Fc＝EhQfi/NFc与10Dq值呈现很好的线性关系。研究结果表明，无论是4fN-15d组态的能级劈裂还是能级中心下降问题，Ce3+、Eu2+两离子都可以表达成统一的形式，显示了环境因子he与劈裂因子Fc所具有的普适性，对其它稀土离子的4fN-1n'l，高激发组态能级同样也具有理论指导意义。